Экономия энергии на насосах. Насосы.
В основном, насосы можно разделить на две большие категории: поршневые и динамические (центробежные). Поршневые насосы используют поступательные движения своих органов для перемещения жидкости. Динамические насосы непосредственно прикладывают момент движения к жидкости посредством вращения погруженной в нее крыльчатки. Производимый момент увеличивает давление или расход на выходе насоса. Подавляющее большинство применяемых сегодня насосов являются насосами динамического (центробежного) типа. В дальнейшем, мы будем рассматривать только центробежные насосы.
Для обсуждения вопросов связанных с насосами, нам необходимо сначала познакомиться с некоторыми терминами и обозначениями.
Напор – измерение давления, обычно в футах водяного столба. (30 футов означает давление, эквивалентное давлению водяного столба высотой 30 футов, при нормальной температуре и атмосферном давлении).
Статический напор – давление, необходимое для преодоления сопротивления подъема жидкости в системе. (Подъем воды в бак на высоту 10 футов требует статического напора в 10 футов).
Динамический напор ( или потери на трение)- давление, которое теряется в трубах. Подача воды в бак может требовать 10 футов статического напора и плюс 1 фут динамического напора. Динамический напор системы обычно увеличивается пропорционально квадрату расхода Q.
НАПОР=К х (Q)2
Системный напор – характеристика напора необходимая для удовлетворения требований статического и динамического напоров для целого диапазона расхода в данной системе.
Напор насоса – давление жидкости на выходе насоса. Для центробежных насосов этот фактор значительно зависит от расхода жидкости через насос и, также, является функцией скорости вращения крыльчатки. (См. закон подобия ниже).
Характеристика насоса – графическая зависимость показывающая со-отношение расход-напор насоса.
Положительная высота всасывания – это требования к характеристике насоса для поддержания режима оптимальной эксплуатации. Это требование к значению внешнего давления на выходе насоса. Если внешнее давление будет меньше значения положительной высоты всасывания, то жидкость внутри насоса может превратиться в пар и вызвать явление «кавитации», что является крайне нежелательным и может вызвать повреждения в системе.
Водяная мощность – выход энергии насоса непосредственно зависящий от параметров выхода.
ВОДЯНАЯ МОЩНОСТЬ=РАСХОД х НАПОР/3960 – (для воды с плотностью 1.0).
Тормозная мощность – мощность, требуемая для работы насоса в заданной точке.
ТОРМОЗНАЯ МОЩНОСТЬ= ВОДЯНАЯ МОЩНОСТЬ/ЭФФЕКТИВ-НОСТЬ НАСОСА
Закон подобия – комплект формул, которые используются для определения действия насоса в любой рабочей точке, основанных на характеристиках насоса. Закон подобия следующий:
Q2/Q1=N2/N1;
P2/P1=(N2/N1)2 ;
HP2/HP1=(N2/N1)3 ,
где Q – расход (GFM),
N – скорость вентилятора,
P – давление,
HP- мощность (л.с.).
Управление расходом.
На рис.15.1 показаны две независимые характеристики. Одна из них,
х
арактеристика
насоса, которая является функцией
физических характеристик насоса. Вторая,
это характеристика системы. Эта
характеристика зависит от диаметра и длины трубопровода, количества соединений, поворотов и т.д.
общий напор в футах
90
70
60
50
30
20
10
100 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
галлоны в минуту
Рис.15.1 – характеристики системы и насоса
Точка пересечения этих двух кривых является фактической рабочей точкой системы. В этой точке давления насоса соответствует потерям в системе и система сбалансирована. Обратите внимание, что состояние баланса наступает только в одной точке (или, по меньшей мере, должно иметься для стабильной работы системы). Если эта точка располагается близко к требуемой рабочей точке, система удовлетворяет требованиям эксплуатации. Если же нет, то для выхода на нужные характеристики требуется изменение либо физических характеристик насоса, либо всей системы.
Если система является частью процесса, параметры которого часто или постоянно изменяются, то потребуется использование специальных методов для изменения характеристик насоса или сети. Для этих целей, в основном, используются два метода. Первым из них является дросселирование, которое посредством управления положением задвижки изменяет характеристики сети. Другой метод - изменения скорости насоса, изменяет непосредственно характеристики насоса.
Метод переменной скорости.
Для расчета требуемой мощности по методу переменной скорости, мы
будем использовать законы подобия, изложенные ранее. Из этих законов мы можем видеть, что изменение расхода прямо пропорционально изменению скорости.
Q2/Q1=n2/n1
Следовательно, мы можем непосредственно соотнести процент расхода к проценту скорости насоса и использовать те же процентные соотношения в уравнении мощности.
HP2/HP1= (n2/n1)3
На рис. 15.2 представлен сравнительный график потребляемой мощности при различных расходах для методов дросселирования и переменной скорости.
Разница между этими двумя кривыми в любой точке показывает возможное значение экономии энергии и преимущества при использовании метода переменной скорости перед методом дросселирования. На практике, для более точного расчета экономии, во внимание должны приниматься КПД двигателя и привода. Действительное значение экономии зависит от количества времени в течении которого происходит работа на пониженных скоростях. Например, работа продолжительное время в точке 60% даст большую экономию, чем работа в точке 80%
.
25 HP Метод
дросселирования
20 Метод
переменной
скорости
15
10
5
20 40 60 80 100 % расхода
Рис.15.2 – потребляемая мощность к % расхода.
Статический напор.
В предыдущем примере мы не принимали в расчет значения статического давления (напора). Сеть со статическим напором изменяет характеристики системы и, соответственно, потребляемую мощность, что несколько отличается от данных в предыдущем примере. Ранее, законы подобия давали правильный ответ, так как формула соотношения скорость\расход полностью соответствовала формуле характеристики системы (без статического напора).
ФОРМУЛА СИСТЕМЫ –
НАПОР = (РАСХОД)3 х К,
где К – постоянная системы.
ЗАКОН ПОДОБИЯ –
P2=[P1/(Q1) 2] x (Q2)2,
где [P1/(Q1)2 ]=К.
Формула системы со статическим напором имеет вид:
НАПОР = К1 х (РАСХОД)2 + К2,
где К1 – постоянная системы,
К2 – статический напор.
Это не соответствует закону подобия и поэтому он не может дать точный ответ для рабочей точки в системе с переменной скоростью. Однако, остается возможным выполнить расчет потребления мощности, но только при точном знании характеристик насоса и сети.
Итоги.
Данные примеры приведены для создания базовых понятий работы насосов и для показа, что имеются весьма значительные возможности экономии энергии при работе методом переменной скорости.